CN112415429A - 中压接地故障智能诊断仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中压接地故障智能诊断仪，包括便携式交直流电源、无线交直流钳型电流表以及诊断测试引线，诊断测试引线包括接地线、接地棒以及高压屏蔽引线；便携式交直流电源的一个输出端通过高压屏蔽引线接入故障线路，接入点通过接地棒接地，便携式交直流电源的另一个输出端通过接地线接地；便携式交直流电源先输出交流电至故障线路，采用无线交直流钳型电流表通过电流寻迹法进行故障点诊断，同时根据便携式交直流电源的输出交流电流电压相位计算输出功率因数，当输出功率因数为负时便携式交直流电源输出高压直流电，继续通过电流寻迹法进行故障点诊断。

Description

中压接地故障智能诊断仪

技术领域

本发明涉及一种中压接地故障智能诊断仪，具体涉及电力系统中压6kV至66kV电压等级的电力系统的电力线路（设备）在发生单相接地故障点智能诊断仪器及快速查找方法。

背景技术

中压（6kV至66kV）电力系统中性点采取不接地或经消弧接地的方式运行。他的优点是在系统出现单相接地故障点可短时间运行两个小时，这样提高了供电可靠性。但是，由于华东地区人口密集，在电力线路断线出现单相接地（简称接地，下同）时可能引起人员伤亡事故。因此，为防止故障扩大为事故，在出现接地故障后通过拉路确定故障线路后，调度（可能）立即发令拉开故障线路，其他线路正常供电。故障线路由运行人员进行故障不带电巡视，故障点明显(断瓷旦、断线、避雷器烧坏等)的再转入故障抢修流程。故障点不明显（避雷器、绝缘子击穿外观正常、开关击穿等）的就拉开线路上的分路或分段开关，通过试送电来缩小故障范围，由于线路上所装的开关（刀闸）必竟有限，最后虽然缩小在最小范围或开关（刀闸）后段时还是很难发现故障点，严重影响正常生产生活用电和电力企业的社会及经济效益，最长的在故障发生24小时后才找到故障点。所以，中压电力线路（设备）在发生单相接地故障点快速查找是电力线路运行人员的拦路虎。

在采用交流高压小电流接地系统故障点查找仪（专利号：201220695404.3）过程中，由于单相接地非直接接地，导致接地电阻较高（简称高阻值单相接地，下同）时，所加测试交流电压在200V及以上，最高达2500V才能达到所要测试电流，这个电流实际上不是流过接地点的实际电流，这个电流包含三根相线（通过现场接的配电变压器高压线圈连通）对地电容（分布电容）电流，这个电流占比较大，特别有电缆的线路，这个电流占比更大，严重影响现场对流过接地点电流方向的判断（理论上流过接地点电流为全部所加的模拟电流，但由于电容电流的存在，根据电流大小判断流向故障点电流方向就很难），同时，由于电容电流的存在，占了现场便携式电源的容量，因仪器重量、体积所限（仪器的便携性），导致输出功率被限制了，使输出电压不能达到现场便携式电源最高输出电压。另外，因仪器输出交流电压较高，还存在故障线路上交流泄漏电流。因此，采用交流高压小电流接地系统故障点查找仪查找高阻值单相接地时很难直接判断，现场使用就非常不方便了，很容易出现误判断或难以快速查找。

交流高压小电流接地系统故障点查找仪（测试电压0至2500V，测试电流0至500mA，恒流500mA）就用电流寻迹法原理，配合（绝缘杆无线）钳形电流表来测量测试电流在测量点是否存在来查找故障，测量点存在测试电流，故障在此及后段线路（设备）上，没有故障点在加压点与测量点之间（也就是在测量点之前）。在实际应用中发现，能快速查找85%单相接地故障点，这些故障点为单相接地故障的电阻值小于2000欧姆左右（适用于单相接地时小电阻阻值接地），接地点接地电阻大小就要看故障线路（段）长度及电力电缆长短，还因为接地点接地电阻大了，所加的查找电压就会升高，电压升高，故障线路（段）电容电流就会增加，带来问题：一是测量点后面有较长电缆，这时能测量到电流，这个电流肯定有电容电流，但不一定是通过故障点的故障电流，导致很能判断；二是电缆的电容电流占了升压器的容量，测试电压很难再提高。

现有在变电站安装接地选线装置与故障接地指示器来配合查找单相接地故障点，因目前电力系统大量使用电力电缆，在故障时各出线上电缆对地的电容电流差异性很大，判断不准，且每条线路及分支上的每相上都需装设故障接地指示器，投资相当大，应用受限。

高（异）频电压电流法，这套装置查找原理也是电流寻迹法，只是测试电压较低，测试电流小，对较高阻值接地故障或有同杆其他线路运行，感应电流较大时难以查找。

在线置零检测、监测高阻接地故障的方法及其测试装置（专利号CN101957421A）中，采用直流法，采用定周期变化的直流进行查找，周期变化的直流是方波或脉动电压电流，严格意义上也是交流，不是正弦波。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：1、中压电力线路（设备）发生高阻值单相接地故障点很难快速查找的难题；2、中压电力线路（设备）发生单相接地故障点智能诊断方法；3、中压接地故障智能诊断仪（交流模式、直流模式集成在一起并能智能诊断的机器）。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

中压接地故障智能诊断仪，包括便携式交直流电源、无线交直流钳型电流表以及诊断测试引线，诊断测试引线包括接地线、接地棒以及高压屏蔽引线；

便携式交直流电源的一个输出端通过高压屏蔽引线接入故障线路，接入点通过接地棒接地，便携式交直流电源的另一个输出端通过接地线接地；

便携式交直流电源先输出交流电至故障线路，采用无线交直流钳型电流表通过电流寻迹法进行故障点诊断，同时根据便携式交直流电源的输出交流电流电压相位计算输出功率因数，当输出功率因数为负时便携式交直流电源输出高压直流电，继续通过电流寻迹法进行故障点诊断。

进一步，还包括挂接高压屏蔽引线的绝缘杆。

进一步，无线交直流钳型电流表包括无线接收机，通过无线接收机将检测数据传输至操作人（控制中心）。

进一步，便携式交直流电源包括电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、高压整流单元、交直流切换单元、控制保护单元及显示单元，控制保护单元分别与电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、高压整流单元、交直流切换单元、显示单元连接，电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、交直流切换单元、高压整流单元依次连接。

进一步，还包括市电充电适配器，用于为电池组单元充电。

进一步，电流寻迹法具体为：便携式交直流电源在故障线路施加诊断电流，无线交直流钳型电流表测量测试点是否有诊断电流，若有则故障点在测试点后方，否则故障点在测试点前方；测试点按二分法选取。

一种中压接地故障智能诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，在故障线路施加在故障线路与大地之间的交流电；

步骤2，通过电流寻迹法进行故障点诊断，同时计算交流电的功率因数，若功率因数为正则低阻值单相接地；若功率因数为负则高阻值单相接地，执行步骤3；

步骤3，在故障线路施加在故障线路与大地之间的直流电，继续通过电流寻迹法进行故障点诊断。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）故障线路较长或湿度较大时，线路整体绝缘下降，这时诊断电流会较大，但各测试点电流会远小于诊断电流（分流），在诊断时要耐心分析，防止误判断；同时，在这种情况下发生低阻接地故障的概率很大；

（2）对偶发性（偶然发生，一会又消失）单相接地故障诊断故障点是无效的，这时通过对地电阻判断线路是否正常，相当做了一次绝缘电阻测量；

（3）交直流钳形电流表在直流模式时主要霍尔传感器加高增益运算放大器构成测量装置，交流模式为电磁感应原理，抗干扰能力强、准确度高、精度高；

（4）霍尔传感器对地磁场、杂散磁场相当敏感，而高增益运算放大器存在零点飘移，导致每次调零后，由于位置或环境略有变化，不在测量时出现电流数值，因此，要克服这两个缺点，诊断电流不能太小，至少要超过20mA以上，理想值大于30mA，这样判断较准确；而本发明开机默认交流模式，只是在怀疑高阻值接地，提醒用直流模式，尽可能减少测量误差。

附图说明

图1是本发明的装置便携式电源方框图；

图2是配网接地故障点查找仪测试原理图。

具体实施方式

本发明是在交流高压小电流接地系统故障点查找仪的基础进一步研究创新而获得的创造性成果，所要解决的技术问题中压电力线路（设备）发生高阻值单相接地故障点很难快速查找的难题。要解决高阻值单相接地，首先要智能判断高、低阻值单相接地并提醒，然后才是低阻值单相接地用交流模式进行诊断，高阻值单相接地用直流模式诊断，降低人为或技术上带来的误差，提高诊断正确率。最后，两种模式集成在一套机器内，便于携带，减少测量接线调试时间，减化操作流程，提高工作效率，降低按劳动强度，提升故障诊断全过程安全性。

电流寻迹法原理：便携式电源在故障线路（段）任意一点施加在故障线路的故障导线与大地之间的诊断电流，经故障导线流向单相接地故障点，通过大地回至便携式电源。钳型电流表测量测试点（故障线路长度约一半的地方，二分法）是否有诊断电流，有的话表示故障点在测试点后方，前一半线路没有故障；没有的话说明故障点在测试前方，后一半线路无故障。根据这个原理，（登杆）测试点按二分法取，一般测试5至7个点就能诊断出故障点（1/2⁷＝0.78%）。

经对高、低阻值单相接地在交流测量方式分析：施加对地测试电压后，测试电流经故障相导线，从接地点流入大地，再与加压点电源构成回路。在低阻值单相接地，施加测试电压很低，故线路上电容电流很小可以忽略，由于线路导线为感性负载，接地点负载特性接近于阻性，整个回路电流感性电流，功率因数为正；在高阻值单相接地，施加测试电压（较）高，故线路上电容较大（取决故障线路长短或电缆长短），高阻值单相接地阻值越大，电容电流也越大，当电容电流大于感性电流时，整个回路电流容性电流，功率因数为负。因此，通过单片机（控制保护及显示单元）测量判断功率因数正负来智能提醒高阻值接地。由于默认交流模式，很容易实现测量判断功率因数正负。

单片机测量判断功率因数为负时智能提醒高阻值接地，操作人员根据实际切换至直流模式，便携式电源对交流高压进行整流，变成直流电压输出后供测试诊断，便携式电源在显示测试电压电流的同时，通过单片机运算显示对地电阻（变化）来提供诊断人员操作，因为，高阻值接地大部分需要在一定电压后才再击穿（故障重现），只有当故障重现后测试电流才会猛增，这时用电流寻迹法，用直流钳型电流测量更准确，诊断结果更真实。

便携式电源自带低压大容量直流储能电池组，经逆变成正弦波交流电源，由电子调压器调压，送至升压变压器升压，具体输出是交流还是直流由单片机控制，根据在交流模式下测量结果由操作人根据实际进行切换：低阻值接地时直接输出交流测试电压；高阻值接地时先送整流单元整流，后输出直流测试电压。持交直流钳形电流表的操作人员根据交流或直流模式（低阻值还是高阻值接地）相应切换成交流或直流模式测量电流。

本发明中压接地故障智能诊断仪主要包括：1、装置便携式电源，实际上是专项功能性便携式交直流电源；2、绝缘杆无线交直流钳型电流表（含无线数据接收机）；3、诊断测试引线（含接地线、接地棒、高压屏蔽引线、挂接高压屏蔽引线绝缘杆）；4、附属配件（市电充电适配器、车充线）。

如图1所示，便携式交直流电源包括电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、高压整流单元、交直流切换单元、控制保护单元及显示单元（单片机），控制保护分别与电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、高压整流单元、交直流切换单元、显示单元连接，电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、高压整流单元、交直流切换单元依次连接。

电池组和交流逆变两个单元完成低压直流电源逆变成220V交流（正弦波）电源，恒流单元实际上是带恒流输出功能的电子调压器（PWM），把输入的交流电压变成可调的输出电压0V至220V给升压单元，这样升压单元输出交流电压为0V至4300V，当输出电流达到恒流值时，输出电流即为恒流值，电压就是电流为恒流值时的电压，这时再调升电压旋钮（按键）电压是不会升高的（被恒流功能限制了）。由于便携式电源默认开机为交流模式，在开机诊断接地故障时，便携式电源是高压输出的交流信号，控制保护及显示单元测量高压输出的电压、电流大小和相位，通过计算，输出电流的功率因数，当功率因数为负，输出电流为容性电流，即流过故障线路对地分布电容上的电流，这时故障点没有击穿（故障再现），而此装置诊断原理是电流寻迹法，就是根据施加的电流信号来查找故障的，所以，这时电容电流引起误判断，尤其故障线路（段）上有电力电缆时，这个电容电流较大，导致：1、根据钳型电流表测试电流无法判断电流流向，造成诊断失败；2、达到恒流值时电压不能再升高，故障点可能不能击穿；3、故障点就是击穿，也无法根据电流流向来区分流过故障点电流还是电容电流；4、这个电流占了便携式电源容量。

控制保护及显示单元是便携式电源的核心单元，功能一是：诊断全过程中负责对电池组、交流逆变、恒流、升压、高压整流、交直流切换等六个单元开关控制、输入输出电压、电流的检测、恒流控制及过流过压欠压保护；功能二是交流模式下测量升压单元输出电流功率因数（输出电压相位为基准）；功能三输出电流为容性电流（功率因数为负时即为容性电流），通过控制保护及显示单元提醒操作人员可能高阻值接地，直流模式诊断。功能四是通过它把交流测试和直流测试两种方式组合在一起合并成一台机器；功能五是不需要操作人员去计算判断是否高阻值接地，达到智能诊断的效果。

便携式电源工作原理：

便携式电源开机（默认）交流测试，这时输出的交流电流电压至故障线路（段）进行诊断，故障线路（段）另一组人员用绝缘杆无线交直流钳型电流表（置于交流模式，这时钳型电流表是电磁感应原理测量，测量精度高，抗干扰能力强）测量便携式电源输出电流的流向（电流寻迹法）。同时便携式电源控制保护及显示单元能显示输出电流电压值，还同时经计算输出功率因数。

控制保护及显示单元当测量到当功率因数为负，且电流超过阀值时（这时的电流是电容电流，不一定是通过故障点的诊断电流），便携式电源显示提醒可能高阻值接地，（自动）启动切换成直流模式，交直流切换单元把升压单元输出交流信号切换至高压整流单元进行整流后再送高压输出（这里输出直流电压电流）。由于电容阻断直流，这时输出电压就能调整到很高（最高为DC6000V），在高电压下使故障点击穿（故障再现），由便携式电源加压点通过故障相导线，再经过接地点和大地构成回路，这个回路中就有诊断的直流电流，无线钳型电流表在直流方式下测量直流电流流向，根据这个流向就很快诊断出故障点。

如图2所示，配网接地故障点查找仪测试原理图中，A处为接地故障点（未知假设的点），B处为便携电源加电压（故障相与大地之间加电压）开始测试点，实线与虚线构成现场模拟经接地故障点构成的电流回路，然后不断变换登杆用钳形电流表测量电流流向，（其中，实线1为现场查找故障点模拟电源在故障线路上的电流回路，虚线2为故障点与加压测试点通过大地形成电流回路）。如用本发明的绝缘杆式交直流钳形电流表在B处登杆测量电流，42+29号（大方向）没有电流，42+21（小号方向）方向有与便携电源所加大小差不多的电流，说明故障点在B点小号方向，然后在42号杆测量，42+9号方向（进42号）和57号杆方向（42号大号侧）有电流，42号小号和42-8号方向没有电流，说明故障点在42号大号侧方向，再至57号杆登杆测量，方法同上，最终找到故障点在57-14号杆。

通过使用交流高压小电流接地系统故障点查找仪查找故障点发现，能查85%的单相接地故障点，这些故障点绝大多数为小阻值接地，只有故障线路（段）短，且无电缆的才能快速查找高阻值接地故障点。本发明所能达到的效果能快速诊断余下的13%快速诊断高阻值接地故障点，还有不到2%高阻值接地为偶发性故障很难查找到，如开关绝缘拉杆因长时间湿度过大导致击穿，在诊断过程中湿度逐步降低，绝缘也就恢复，送电后线路正常，这种故障遇过2例，还遇过大风天气固定导线的夹具损坏，导致导线在大风作用下摇摆，造成绝缘周期性降低，周期性变化确定故障情况，重点巡视线下树障等情况发现故障点。

从2013年至2020年10月，先后江苏南通地区查找200余例（先通过维护人员巡视后未能发现故障点后使用仪器查找）单相接地故障，低阻值接地故障占比在82%，高阻值接地在16%，偶发性接地在2%左右这样的比例。用交流电流查找纯架空线路的高阻值接地也能查找3%左右，对混合线路（架空加电缆）高阻值接地快速查找相当困难，这需要查找人员技术要过硬，现场线路设备情况相当熟悉的情况下误诊断也是常有的事。在这之前实在没有办法只能通过：一是人员寻视；二是进一步拉路把电缆从故障线路上隔离开；三是对故障线路（段）解头后分段测试。

使用本发明的装置，在高阻值接地时直流电压最高达到6kV，达运行相电压峰值的73%，使永久性故障再现率达100%，在诊断过程中，只要故障再现，就能100%的查到。本发明的装置便携式电源重量小于30公斤，体积也只有500*400*400毫米，携带方便，可车载充电。现场接线简单，操作方便，智能提醒，安全可靠，查找速度快，平均查故障耗时45分钟，登杆测试5至7次（登杆测试点选取采用二分法，1/2⁷＝0.78%），7次登杆后故障存在的几率为0.78%，提高供电可靠性，提高了供电企业的社会效益和经济效益。

本发明是在现有技术方案的基础进一步研究创新而获得的创造性成果，其特点是：一是仪器在交流模式下诊断时自动判断是高阻值还是低阻值接地；二是高阻值接地时仪器提醒采用直流模式诊断。直流模式诊断原理与交流模式相同，只是所加电压经整流变成直流，钳形电流表为（绝缘杆无线）交直流钳形电流表在直流模式下测量。三是仪器在直流模式诊断下实时显示测试电流，故障线路（段）对地电阻阻值，对需达到一定电压才击穿故障点（故障再现）相当直观；四是采用直流测试时，避免了故障线路（段）电容电流带来的不利情况出现，不易发生误诊断；五是直流测试电压最高能达交流额定相电压的峰值的70%的电压值5.6kV（接地报警整定值为5.7*1.414*0.7＝5.6kV），对偶发性接地故障，在5.6kV测试正常，说明故障点不存在，可以正常送。

应当指出，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也在本申请权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.中压接地故障智能诊断仪，其特征在于，包括便携式交直流电源、无线交直流钳型电流表以及诊断测试引线，诊断测试引线包括接地线、接地棒以及高压屏蔽引线；

便携式交直流电源的一个输出端通过高压屏蔽引线接入故障线路，接入点通过接地棒接地，便携式交直流电源的另一个输出端通过接地线接地；

便携式交直流电源先输出交流电至故障线路，采用无线交直流钳型电流表通过电流寻迹法进行故障点诊断，同时根据便携式交直流电源的输出交流电流电压相位计算输出功率因数，当输出功率因数为负时便携式交直流电源输出高压直流电，继续通过电流寻迹法进行故障点诊断。

2.如权利要求1所述的中压接地故障智能诊断仪，其特征在于，还包括挂接高压屏蔽引线的绝缘杆。

3.如权利要求1所述的中压接地故障智能诊断仪，其特征在于，无线交直流钳型电流表包括无线接收机，通过无线接收机将检测数据传输至控制中心。

4.如权利要求1所述的中压接地故障智能诊断仪，其特征在于，便携式交直流电源包括电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、高压整流单元、交直流切换单元、控制保护单元及显示单元，控制保护单元分别与电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、高压整流单元、交直流切换单元、显示单元连接，电池组单元、交流逆变单元、恒流单元、升压单元、交直流切换单元、高压整流单元依次连接。

5.如权利要求4所述的中压接地故障智能诊断仪，其特征在于，还包括市电充电适配器，用于为电池组单元充电。

6.如权利要求1所述的中压接地故障智能诊断仪，其特征在于，电流寻迹法具体为：便携式交直流电源在故障线路施加诊断电流，无线交直流钳型电流表测量测试点是否有诊断电流，若有则故障点在测试点后方，否则故障点在测试点前方；测试点按二分法选取。

7.中压接地故障智能诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在故障线路施加在故障线路与大地之间的交流电；

步骤2，通过电流寻迹法进行故障点诊断，同时计算交流电的功率因数，若功率因数为正则低阻值单相接地；若功率因数为负则高阻值单相接地，执行步骤3；

步骤3，在故障线路施加在故障线路与大地之间的直流电，继续通过电流寻迹法进行故障点诊断。

8.如权利要求7所述的中压接地故障智能诊断方法，其特征在于，电流寻迹法具体为：便携式交直流电源在故障线路施加诊断电流，无线交直流钳型电流表测量测试点是否有诊断电流，若有则故障点在测试点后方，否则故障点在测试点前方；测试点按二分法选取。

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